Учёные впервые испытали квантовый эффект, позволяющий сделать материю невидимой
Эффект блокировки Паули лишает атомы возможности отражать и рассеивать свет.
Лазерная установка, с помощью которой физики проверяли эффект блокировки Паули Фото JILA
Физики Массачусетского технологического института (МТИ) впервые на практике добились эффекта, предсказанного более 30 лет назад. Охладив газ до сверхнизкой температуры и сжав его лазером, учёные увидели, что он «стал полупрозрачным» — перестал отражать и рассеивать часть падающего на него света. Таким способом можно довести материю до полной невидимости, рассказывают учёные в трёх статьях в журнале Science.
Эффект основан на принципе запрета Паули — законе квантовой механики, который отражает неспособность некоторых элементарных частиц «становиться неотличимыми друг от друга». Такие частицы называются фермионами — к ним, например, относятся протоны, нейтроны и электроны, из которых состоят атомы, а также сами атомы многих веществ.
Фермионы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии — иметь одинаковую энергию, расположение в пространстве, и другие свойства. Благодаря этому может существовать твёрдое вещество, занимающее некоторый объём. В ином случае все предметы проваливались бы сквозь поверхности, да и сами предметы не могли бы образоваться — не существовало бы атомов в привычном виде, потому что все электроны падали бы на самую нижнюю орбиту, а ядра атомов сжались бы в нечто неосязаемое вроде света.
Однако даже фермионы можно принудить к максимальной «похожести» друг на друга. Для этого нужно охладить их до температур, близких к абсолютному нулю, который равен −273,15 °C, и максимально сблизить друг с другом. Тогда фермионы, лишившись почти всей своей энергии и попав в «плотную толпу», буквально не смогут дёрнуться ни туда, ни сюда. Это состояние называется блокировкой Паули, и оно лишает фермионы способности поглощать или отражать свет.
В состоянии блокировки Паули атом может лишь пропустить фотон сквозь себя, но не оставить его внутри (поглотить) Изображение Science
Любое вещество поглощает или отражает свет потому, что его атомы могут поглощать и переизлучать фотоны (частицы света). При поглощении фотона атом получает его энергию, чуть «пошатываясь» при этом — как тяжёлый грузовик немного сдвигается с места, когда в него врезается легковая машина. Но под блокировкой Паули атому некуда «пошатнуться», поэтому он не может поглотить фотон — его энергию просто «некуда втиснуть». Так что фотоны начинают свободно пролетать сквозь атомы — по сути, вещество становится прозрачным.
Работоспособность этой концепции подтвердили физики МТИ. Они охладили облако из атомов лития до −273.14998 °C и сфокусированным лазерным лучом довели его до плотности в один квадриллион частиц на кубический сантиметр. Другим лазером учёные измерили уровень поглощения и отражения света облаком — так, чтобы не изменить его температуру. Оказалось, что вещество стало на 38% «прозрачнее», чем при комнатной температуре — в полном соответствии с теоретическими расчётами.
Как сообщают авторы исследования, с помощью блокировки Паули можно не только создавать полупрозрачные или даже невидимые материалы, но и решить одну из главных проблем квантовых компьютеров — избавить их от «порчи» кубитов из-за квантовой декогеренции. Если поместить кубиты под блокировку Паули, они начнут игнорировать частицы, прилетающие из внешней среды, и перестанут терять свои квантовые свойства.
#новости #физика #квантовыекомпьютеры